" "
Каталог мастеров
Найдите лучшего мастера или фирму в своем городе

Химические источники тока – где применяются, и каков принцип действия

Любая батарейка или аккумулятор дает ток за счет протекающих внутри них химических реакций
Любая батарейка или аккумулятор дает ток за счет протекающих внутри них химических реакций

Химические источники тока (сокращенно ХИТ) – это источники электродвижущей силы (ЭДС), в которых в электрическую энергию превращается энергия протекающих внутри химических реакций. Используют их сегодня повсеместно – это и современные электромобили и портативная радиоэлектроника, и медицинское оборудование, и портативные компьютеры.

Все это делает источники тока электрохимические очень важным изобретением, которым пользуются вот уже 2-ю сотню лет. Именно про ХИТ мы подробно и поговорим в сегодняшней статье.

Классификация химических источников тока

Классификация ХИТ
Классификация ХИТ

Все ХИТ принято подразделять на три основные категории:

Как устроены гальванические батареи
Как устроены гальванические батареи
  • Первичные гальванические элементы – внутри таких источников происходят химические окислительно-восстановительные реакции, энергия которых и переходит в электрическую. Данные реакции являются необратимыми, поэтому элементы невозможно перезарядить.
  • Состоят такие батареи из двух электродов, которые имеют разный электродный потенциал, металлического проводника, по которому могут перемещаться электроны, и электролита, который помогает перемещению ионов между электродами.

Интересно знать! Напомним, что именно поток электронов и приводит к возникновению электрического тока.

Вторичный химический источник тока
Вторичный химический источник тока
  • Вторичные ХИТ, они же электрические аккумуляторы – тоже являются гальваническими элементами, однако их особенность заключается в том, что возможна перезарядка.
  • В отличие от батарей, которые исчерпывают свою работоспособность при разряде, аккумуляторы могут регенерироваться, то есть повторно накапливать энергию и перезапускать цикл химических реакций.
  • Возобновление заряда происходит при пропускании через элемент электрического тока, для чего нужна внешняя цепь. Все мы ежедневно заряжаем свои телефоны и смартфоны, ноутбуки и планшеты. Аккумуляторы применяются практически везде, и это не удивительно – их ресурс намного выше, чем у любой первичной батареи в сотни раз, при том, что цена больше до 10-ти раз.
  • Прообраз первой аккумуляторной батареи был создан в далеком 1803 году немецким физиком-химиком И. Риттером. Его устройство имело в составе пятьдесят медных кружков, между которыми было проложено влажное сукно. Когда через него проходил ток от Вольтова столба, изделие само становилось источником электрического тока.
Топливный источник тока химический
Топливный источник тока химический
  • Последним типом химических источников тока являются топливные элементы, или электрохимические генераторы. Основное отличие их от гальванических элементов это то, что вещества необходимые для электрохимической реакции подаются внутрь извне, а продукты от реакций, наоборот, удаляются.
  • Подобный подход позволяет организовать долгую непрерывную работу без фактической перезарядки.
  • Впервые применять топливные источники тока стали во второй половине 20-го века, несмотря на то, что основные принципы функционирования были открыты в далеком 1839 году. В 1965 году их впервые задействовали в космической технике – это был элемент КК «Джемини». Его изначальное расчетное время работы составляло от суток, до 2-х месяцев. Эти элементы имели достаточное преимущество перед солнечными батареями с буферными химическими батареями в плане массы и габаритов, а также удельной мощности.
  • Первая топливная батарея КК «Джемини» состояла из 3 блоков по 32 элемента, каждый из которых выдавал напряжение в 0,8В, и работала на газообразном топливе (кислород и водород).

Характеристики гальванических источников тока

Щелочные аккумуляторы и их свойства
Щелочные аккумуляторы и их свойства

Характеристика химических источников тока включает в себя следующие параметры:

Уравнение Нернста для электродного потенциала
Уравнение Нернста для электродного потенциала
  • Электродвижущая сила – этот параметр гальванического элемента зависит от состава используемого электролита и типов металлов, из которых изготовлены электроды. Описывают ЭДС термодинамические функции (уравнение Нернста), приложенные к протекающим электрохимическим процессам.
Измеряется емкость обычно в миллиамперах в час
Измеряется емкость обычно в миллиамперах в час
  • Емкость элемента питания – тут все просто, имеется в виду количество энергии, которое элемент может отдать при разряде. Данный параметр напрямую зависит от массы запасенного в батарее реагентов и скорости их превращения. Емкость элемента будет снижаться, если элемент будет охлажден, либо вырастет ток разряда.
  • Энергия гальванического элемента. Этот параметр высчитывается путем перемножения емкости на выдаваемое напряжение. Энергия будет уменьшаться по мере роста разрядного тока. Обратный эффект будет достигнут при росте температуры (до определенного уровня) и увеличении используемых реагентов.
Прототип гальванической батареи
Прототип гальванической батареи
  • Сохраняемость – по сути, срок годности элемента, в течение которого он способен не менять своих основных характеристик в допустимых пределах.

Совет! Чем выше температура, тем быстрее сокращается срок хранения.

  • Плотность энергии – количество запасенной энергии в расчете на единицу массы аккумулятора или его объема.
  • Саморазряд первичного химического источника тока – очень важный параметр, указывающий на потерю емкости батареей без подключенной к ней нагрузки. То есть параметр фактически сопоставим со сроком службы элемента.
  • Саморазряд химических источников тока вторичных, по сути, то же самое, однако этот параметр меняется во времени. Особенно высоко его значение после полной подзарядки аккумулятора, но по мере разрядки он ослабевает.

Интересно знать! Для никель-кадмиевых аккумуляторов, функционирующих исправно, не допускается потеря более 10% от максимального заряда за 1 сутки. Никель-металлгидридные имеют меньший показатель, а у литий-ионных этот эффект практически отсутствует, растягиваясь на месяцы. Герметичные кислотные аккумуляторы потеряют за год всего 40% своего заряда, однако, если температура воздуха будет выше 20 градусов, процесс потечет куда быстрее, и наоборот, приближаясь к нулю – будет замедляться.

Более подробное строение элементов

Гальваническая батарейка в разрезе
Гальваническая батарейка в разрезе

Мы уже дали определение химических источников тока и назвали их основные типы. Теперь давайте рассмотрим немного глубже, как они устроены, и какие химические реакции внутри протекают.

Элемент Даниэля-Якоби
Элемент Даниэля-Якоби
  • Итак, начнем с первичных гальванических элементов. В их состав входят реагенты (окислители и восстановители), которые участвуют в прямом преобразовании энергии. Выработка тока прекращается после того, как реагенты полностью израсходуются.
  • В качестве примера того, как функционирует элемент, давайте опишем давно известное устройство Даниэля-Якоби. Выше представлена его схема.
  • Итак, два электрода (цинковый и медный) опущены в колбы наполненные растворами сульфатов цинка и меди, соответственно.
  • Растворы разъединены внутренней цепью (полупроницаемой перегородкой), а электроды соединяются внешней цепью (металлический проводник) через гальванометр, обозначенный на схеме как 2.
Элемент Даниэля
Элемент Даниэля
  • Когда цепь замкнута, на обоих электродах протекают процессы гидратации ионов металлов. Между самим металлом и его ионами в растворе устанавливается химическое равновесие.
  • В связи с тем, что цинк и медь имеют разную активность электродных потенциалов, электроды приобретают разный заряд по величине, то есть концентрация свободных электронов на них будет значительно отличаться.
  • Как только будет замкнута внешняя цепь, концентрация электронов придет в равновесие и они по внешнему проводнику начнут перемещаться от цинкового электрода к медному.
  • По этой причине концентрация электронов на цинковом электроде начинает уменьшаться, из-за чего происходит смещение равновесия на границе Zn|ZnSO4 в сторону катионов цинка (их образования). Другими словами цинк начинает растворяться.
  • С медным электродом происходит обратный процесс – равновесие смещается в другую сторону и начинает образовываться металлическая медь, или другими словами – медь начинает восстанавливаться.
  • Если говорить более конкретно, то на цинковом электроде происходит процесс окисления, который в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом. На медном электроде (катоде) – процесс восстановления, называемый еще катодным.
Классическая солевая батарейка
Классическая солевая батарейка
  • Наиболее широко распространились элементы питания, состоящие из марганца и цинка. Они не содержат раствора электролита, поэтому называются сухими.
  • Эти элементы при всем конструкционном многообразии делят всего лишь на два типа, в зависимости от рН электролита и состава: солевые и щелочные. Для солевых марганцево-цинковых элементов (МЦ) используется электрохимическая схема Лекланше (Zn|NH4Cl|MnO2) – в качестве катода выступает цинковый электрод, в качестве анода – электрод их диоксида марганца и графита, а электролитом является паста из муки или крахмала с раствором хлорида аммония.
  • В щелочных элементах питания применяется другая схема (Zn|KOH|MnO2). При этом электроды делаются из тех же материалов, а в качестве электролита применяется паста из гидроксида калия.
  • Такие элементы обладают большей емкостью, лучше переносят низкие температуры и высокие разрядные токи. Однако они намного сложнее солевых источников, почему и имеют значительно большую цену.
  • Данные элементы имеют многоцелевое назначение и применяются в быту повсеместно. Они могут выступать источниками автономного питания для любой радиоаппаратуры, фотоаппаратов, калькуляторов, различных тестовых приборов, часов, фонариков, для запитки схем Биоса материнских плат персональных компьютеров и прочего.
Процесс зарядки аккумуляторных батарей
Процесс зарядки аккумуляторных батарей
  • Аккумуляторы, или вторичные химические источники тока – отличает эти элементы то, что благодаря воздействию внешнего тока, электрическая энергия может переходить в химическую, а при подключении внешней цепи происходит обратный процесс.
  • Одним из часто встречающихся типов таких устройств являются свинцовые аккумуляторы, которые также называют и кислотными.
  • В качестве электролита выступает 25-30%-ый раствор серной кислоты, а материалом для электродов служат свинцовые решетки. При взаимодействии этих веществ свинец превращается в следующее соединение — PbSO
  • Процессы, протекающие на аккумуляторных электродах, до сих пор до конца не изучены, что говорит об их высокой сложности. Допускается, что одновременно происходят изменения в твердой фазе и в растворе, с зависимостью скоростей этих реакций от условий поляризации.
  • Применяются такие элементы в основном в качестве источников питания в автомобилях.
  • Помимо кислотных существуют и щелочные аккумуляторы, среди которых больше остальных распространились никель-металлгидридные и никель-кадмиевые устройства, электролитом в которых является гидроксид калия (КОН).
  • Для переносной электроники, например, ноутбуков, планшетов, смартфонов используются в основном литий-ионные аккумуляторы, а также литий-полимерные, обладающие приличной емкостью и отсутствием эффекта памяти.

Про литий-ионные аккумуляторы мы поговорим в отдельной главе, так как эти устройства на сегодня в быту самые часто встречающиеся.

Строение электрохимического генератора тока
Строение электрохимического генератора тока
  • Топливные элементы питания, по сути, тоже являются гальваническими, только восстановитель и окислитель находятся вне самого элемента. Они подаются во время работы к электродам раздельно и непрерывно.
  • При работе такого элемента сами электроды не расходуются, как в обычных батарейках.
  • В качестве окислителя обычно применяется кислород (чистый или из воздуха), а в качестве восстановителя – водород, метан и метанол, которые могут быть как в жидком, так и в газообразном состоянии.
  • Электролитом при этом является щелочь.

Литий-ионные аккумуляторные батареи

Теперь, как и обещали, давайте подробно обсудим, что такое литий-ионные аккумуляторы, как они устроены и как ими правильно пользоваться. Тема очень интересная, и поможет не только увеличить объем теоретических знаний, но и практических, которые, к примеру, помогут продлить срок службы вашего телефонного или любого другого аккумулятора.

Строение

На фото - литий-ионный аккумулятор от сотового телефона
На фото — литий-ионный аккумулятор от сотового телефона
  • В качестве катода (отрицательного электрода) используется алюминий, а в качестве анода (положительного электрода) – медь. Выполняются они обычно в виде фольги, в форме цилиндра или продолговатого пакета.
  • Разделяются электроды пористым сепаратором, который пропитал электролитом.
Схематическое строение литий-ионного аккумулятора
Схематическое строение литий-ионного аккумулятора
  • Все электроды устанавливаются в прочный корпус и подсоединяются к токосъемным клеммам.
  • Попутно внутри корпуса могут устанавливаться и отдельные устройства, которые призваны продлить срок службы аккумулятора и сделать эксплуатацию безопасной. К таковым относятся:
  1. Устройства, реагирующие на изменения температурного коэффициента изменением сопротивления.
  2. Устройство разрыва контакта между катодом и клеммой, в случае превышения допустимого давления газов внутри.
  3. Предохранительные клапаны, способные сбрасывать аварийное давление.
  • Также используются и внешние устройства электронной защиты, которые также предупреждают аварийный перегрев, перезаряд и короткое замыкание.
  • Конструктивно аккумуляторы изготавливают цилиндрического типа (как обычные батарейки) либо призматического (как в телефонах). В первом случае электроды с сепаратором сворачиваются рулоном, а во втором они накладываются друг на друга.
  • Литий-ионные аккумуляторы абсолютно герметичные устройства, что продиктовано необходимостью защиты от утечки электролита, а также защитой от попадания внутрь паров воды и кислорода, что приводит к выходу элемента из строя.

Принцип работы

Как работает аккумулятор
Как работает аккумулятор

Разберем сначала разряд.

  • При подключении во внешнюю цепь заряженного аккумулятора, начинает протекать химическая реакция, благодаря которой образуются свободные электроны, которые, как мы помним, «хотят» попасть на катод. Через электролит им не пройти, поэтому они «отправляются в путь» через внешнюю цепь – так образуется ток, который питает подключенные к источнику устройства.
  • «Улетевшие» электроны оставляют ионы лития (положительно заряженные), которые через электролит направляются к катоду.
  • После полного перемещения электронов, аккумулятор остается разряженным.

Чтобы восполнить запас энергии, процесс нужно обратить вспять. К аккумулятору подключается зарядное устройство, из-за чего электроны устремляются обратно к аноду, пока тот не соберет прежнее количество электронов. Далее цикл может повторяться большое количество раз.

Емкость литий-ионной батареи – это ни что иное, как количество ионов лития, которые могут «прилипнуть» к электродам. Попадают они в кратеры (микроскопические поры на аноде и катоде).

При выходе аккумулятора из строя требуется его замена на новый
При выходе аккумулятора из строя требуется его замена на новый
  • Со временем материал электродов начинает деградировать. По этой причине они уже не могут удерживать прежнее количество ионов лития, то есть происходит потеря емкости. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока элемент полностью не утратит свою работоспособность.
  • Строение литий-ионных аккумуляторов таково, что постоянно требуется контроль за уровнем заряда. С этой целью в симбиозе с ними применяют контроллеры заряда. Эти устройства полностью ведут процесс зарядки, выставляя необходимое напряжение в зависимости от стадии.
Зарядное устройство
Зарядное устройство
  • Процесс зарядки через контроллер протекает обычно в следующей последовательности. Вначале подается ток, составляющий 10% от номинального. Напряжение при этом составляет 2,8 Вольт. Далее происходит увеличение тока при достижении напряжением отметки в 4,2 Вольта. Приближаясь к финалу, ток постепенно ослабевает, но напряжение так и остается на достигнутом уровне.
  • Описанный процесс, в принципе, универсален, но может отличаться в зависимости от типов аккумулятора и применяемого контроллера.

Характеристики аккумуляторов

Именно такие аккумуляторы установлены в батареи для ноутбуков
Именно такие аккумуляторы установлены в батареи для ноутбуков

Изготавливаемые сегодня литий-ионные аккумуляторы бывают двух видов: таблеточные и цилиндрические.

Все они могут иметь следующие рабочие параметры и характеристики:

  • Минимальное рабочее напряжение составляет 2,2-2,5 В;
  • Максимальное напряжение обычно не превышает 4,35 В, тогда как маркировка указывает 5 В.
  • Время зарядки зависит от мощности зарядного устройства и емкости самого аккумулятора, поэтому обобщить данные достаточно сложно. Обычно этот параметр составляет 2-4 часа.
  • Саморазряд при комнатной температуре не превышает 7% в год, что как понимаете, очень мало.
  • Работать аккумуляторы могут при температурах от -20 до +60 градусов, естественно, меняя свои рабочие характеристики.
  • Аккумуляторы теряют около 20% своей емкости по истечении от 500 до 1000 циклов заряда\разряда.

Для таких аккумуляторов характерны следующие плюсы:

  • Высокая плотность энергии, по сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными аккумуляторами.
  • Высокое напряжение одного элемента. Для сравнения один никель-металлгидридный аккумулятор выдает всего лишь 1,2 В, поэтому их используют в количестве 4-х штук, чтобы получить то же рабочее напряжение.
  • «Эффект памяти» у них отсутствует, что намного упрощает процесс эксплуатации.
«Эффект памяти» требует особого подхода к заряду аккумулятора
«Эффект памяти» требует особого подхода к заряду аккумулятора

Интересно знать! Эффект памяти – это изменение полезной емкости аккумулятора, из-за нарушения режима зарядки. То есть, если постоянно заряжать не до конца севший аккумулятор, он «запомнит» нижний порог и будет «считать» его нулевым.

  • Большое число циклов перезарядки.
  • Достаточно длительная эксплуатация.
  • Высокий диапазон рабочих температур, что позволяет использовать такие устройства в разных погодных условиях.
  • Литий-ионные аккумуляторы более безопасны в плане экологии.

Советы по эксплуатации аккумуляторов

А теперь самые простые советы, которые помогут прослужить вашим аккумуляторам максимально долго.

  • Берегите элементы питания от огня и воды – оба фактора чреваты выходом из строя.
  • Чрезмерное охлаждение и нагревание, а также резкая смена температур тоже губительны.
  • Применяйте соответствующий вашему аккумулятору тип зарядки, коих есть аж 4 штуки.
  • Первый – это медленный заряд низким постоянным током. Происходит он в течение довольно длительного времени – до 18 часов. Такой метод подходит почти для всех аккумуляторов и является самым безопасным.
  • Второй – быстрый заряд. Происходит в течение 3-5 часов при постоянном токе в 1/3С.
  • Третий – дельта V заряд (ускоренный) — начальные ток равен номинальной емкости элемента, напряжение постоянно меняется. Заряд происходит за 1-1,5 часа. При этом возможен перегрев и разрушение устройства.
  • Четвертый тип называется реверсивным. При нем длинные импульсы заряда сменяются короткими импульсами разряда. Такой метод наиболее полезен для аккумуляторов с «эффектом памяти».

Совет! Прилагаемая к аккумуляторным батареям инструкция обычно содержит рекомендации по режиму зарядки.

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали электрохимические источники тока и получили простейшее представление об их работе. Если вы хотите изучить тему глубже, то уже не обойтись без учебных пособий и видео, которые можно легко отыскать в сети.



загрузка...

Понравилась статья? Поделись с друзьями!
Комментировать
Подпишитесь на рассылку

Наша рассылка выходит 2 раза в месяц. В ней нет никакой рекламы, только полезная информация о том-то и том.

Еще какая-то может информация про описание расссылки и того, что ждет подписавшихся